Bland djurparken av biomolekyler som är nödvändiga för livet, proteiner är de mest häpnadsväckande varierande och mångsidiga.

Dessa komplexa strukturer, genererad från DNA-koden och byggd av ett 20-tal aminosyror spelar en central roll i otaliga livsprocesser. I form av antikroppar, proteiner skyddar organismer från infektionsämnen som bakterier och virus. Som enzymer, proteinmolekyler påskyndar kemiska reaktioner som är nödvändiga för att upprätthålla liv. Proteiner fungerar också som budbärare som koordinerar olika kommunikationsaktiviteter mellan celler.

Även om proteiner har varit i fokus för intensiva studier, forskare har fortfarande mycket att lära sig om dessa gåtfulla molekyler som själva sätts samman till utarbetade 3D-former; särskilt deras subtila roller i hälsa och sjukdom.

I en ny studie, Stuart Lindsay och hans kollegor vid Arizona State University utforskar en överraskande egenskap hos proteiner - en som först nyligen har kommit i dagen. I forskning som förekommer i Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) , gruppen visar elektrisk ledningsförmåga genom proteiner placerade mellan ett par elektroder.

De visar vidare att sådan konduktans endast inträffar under mycket specifika förhållanden, när kontakterna som förbinder proteinmolekylerna till deras elektroder är sammansatta av exakt den molekyl som proteinet har utvecklats för att binda. Detta ger ett recept för att koppla in proteiner i elektriska kretsar.

"Om du hade sagt till mig att proteiner skulle vara bra kretselement för 5 år sedan, Jag skulle ha skrattat åt dig - det är löjligt, " säger Lindsay. Men hans skepsis, gav snart plats för överraskning:"Vi upptäckte för några år sedan att ett protein involverade i att klämma ihop celler, utan känd elektrisk funktion, leds som en vacker tråd om den är kopplad till elektroder av den lilla bit protein som den hade utvecklats för att känna igen. Detta var ett stort mysterium för oss, och den aktuella studien utformades för att se om detta var en allmän egenskap hos något slumpmässigt utvalt protein. Det visar sig vara sant:alla proteiner vi har provat, kopplade till elektroder med hjälp av de specifika molekylerna de känner igen, gör nästan perfekta molekylära ledningar, även om vi är långt ifrån att förstå varför det är så."

Jag sjunger kroppen elektrisk

Flödet av elektroner genom biologiska system utgör några av de viktigaste reaktionerna i naturen, avgörande för energiomvandlingsprocesser som sträcker sig från andning och metabolism till fotosyntes. Även om grunderna förstås, Det krävs sofistikerade metoder för att reta ut de fina detaljerna och många pussel återstår.

I den nya studien, forskarna gjorde direkta elektroniska mätningar av enskilda proteinmolekyler, som traditionellt sett har betraktats som elektriska isolatorer. Mätningarna gjordes med hjälp av ett scanning tunnelmikroskop, ett instrument med en mycket fin sond som kan röra bara en molekyl.

Den ursprungliga molekylen är känd som integrin - ett allestädes närvarande proteinceller använder för att fästa sitt cytoskelett till den extracellulära matrisen. Ett integrin utvecklats för att känna igen en viss liten peptid (liten bit protein) fungerade som en stark ledare, medan en variant av integrin, inte utvecklats för att känna igen den specifika peptiden, fungerade som en isolator. Efter att ha identifierat integrin som en stark ledare under rätt förhållanden, gruppen började sökandet efter andra proteiner som kan konduktans, tittar särskilt på proteiner som inte har någon känd roll i elektronöverföring.

I alla, sex proteiner valdes ut för konduktansstudien. Ingen kunde generera elektrokemisk ström, lämnar elektronisk ledning som det enda sättet för elektrisk ledning. När molekylerna var bundna till en yta i sitt ursprung, vattenhaltig miljö, och med hjälp av molekyler de proteiner som identifieras specifikt, elektrisk ledningsförmåga observerades.

Denna konduktivitet var högst när två specifika kontakter gjordes, t.ex. med användning av en antikropp som har två ställen för att binda sitt målprotein. När antikropparna halverades, så bara en specifik kontakt togs, konduktiviteten sjönk dramatiskt. Några av antikroppsmolekylerna som användes i studien utvecklades och syntetiserades i laboratoriet av medförfattaren Qiang "Shawn" Chen, på Biodesign Center for Immunotherapy, Vacciner och viroterapi, med hjälp av snabba och flexibla system för växtuttryck.

Proteiners hemliga liv

Implikationerna av dessa resultat är betydande eftersom de tillåter stor specificitet vid detektion av enstaka molekyler, och eftersom de ger ett recept för att koppla in proteiner i en elektrisk krets där de kan användas som känsliga kemiska sensorer. Med hjälp av tekniken, individuella antikroppar kan avkännas elektriskt när de binder en peptidepitop bunden till elektroder. Om ingen bindning sker, signalen blir noll, utan elektriskt bakgrundsläckage i kretsen, i motsats till de vanligen använda fluorescensanalyserna (ELISA) som lider av oönskade bakgrundssignaler.

Som studien visar, att bryta av en arm av den Y-formade epitopen orsakade en lägre nivå av konduktans genom molekylen, ger lägre konduktanstoppar. Som Lindsay förklarar:"En bindningsplats klarar, men de bästa kretsarna är gjorda med två specifika bindningsställen. När du väl är beväpnad med den kunskapen är det som att bli tillsagd hur man använder en del av elektronisk designprogramvara för att göra proteinkretsar." Lindsays grupp arbetar för närvarande med en mängd olika system som utnyttjar detta tillvägagångssätt.

Lindsay, som leder Biodesign Center for Single-Molecule Biophysics, has been performing elaborate tricks with individual molecules for much of his career. The study of subtle events occurring at the nanoscale has important implications for chemistry, biologi, fysik, materialvetenskap, teknik, and other fields. At this tiny scale, ghostly effects associated with the quantum realm become key ingredients governing physical behavior.

Lindsay holds the Edward and Nadine Carson Presidential Chair in Physics, and is also professor in the School of Molecular Sciences at Arizona State University.

On the horizon, a chip-based version of the technology could beam individual protein information to a computer for analysis, making the promise of truly personalized medicine a reality. "The next steps will be actually making some of the protein-based machines that will serve very useful functions in medicine and analytical chemistry, " Lindsay says. "The technology is very powerful."